华中科技大学研究生(华中科技大学研究生院)
华中科技大学研究生，华中科技大学研究生院
世界首例光化学反应催化酶
自然界中存在多种酶，使得保证生命活动的多种反应可以顺利进行，而随着人类对酶认识的深入，越来越多研究实现利用自然界中存在的酶来催化的特定的反应。通常，酶催化的反应都是通过控制温度使得反应顺利进行，除了热驱动的化学反应，利用光驱动的光化学反应在合成中也占据了举足轻重的作用，这是由于当电子被提升到激发态时，有机分子的前沿轨道与基态的前沿轨道有本质的不同，激发态的这一特性使得许多热化学上禁止的化学反应而在光化学可以实现。但是利用酶催化光化学反应的案例迄今为止都没有被报道。
近期，华中科技大学吴钰周教授、钟芳锐教授和西北大学陈希教授合作在酶催化光化学领域取得了关键性突破，他们将三线态能量转移这一典型的光催化模式整合到蛋白质中，通过基因重新编程，可以选择性地将功能性的改性氨基酸并入蛋白质，创造出含有三线态光敏剂的人工光酶，成功催化吲哚衍生物的分子内[2+2]光激发环加成反应，并且可以实现利用人工光酶与底物分子立体化学的非共价键相互作用控制反应过程[2+2]光激发环加成反应过程中的对映体选择性，实现高达99%e.e对映体选择性，并且超分子蛋白质腔中的人工三线态光酶的能量转移反应活性得到了极大地提高，该研究扩大自然生物催化的化学反应的范围。该工作以题为“Enantioselective [2+2]-cycloadditions with triplet photoenzymes”的文章发表于Nature上。
光酶的结构优化过程
光酶的优化是基于一个高质量的酶数据库，采用半迭代的方式，在酶的某一位点特异性突变，从而进行酶的优化。优化过程总共由三轮。以W93作为母体，在W96中插入BpA为第一轮优化，W96、D100、A11和M8紧密包裹在衬底上，以固定结合腔。根据与吲哚的C(2)-C(3)双键的空间距离(<10 Å)，优先选择V15、N19、M89和F93作为有效三线态能量转移位点。结果表明TPe1.0具有一定的反应活性，但是无对映体选择性。接下来，选择TPe1.0作为新的母本，进行进一步的优化迭代，第二轮的突变位于BpA93附近的残基，即直接插入M8、A11、V15、N19、M89、W96和D100，形成了催化剂TPe_F93BpA_W96L (TPe2.0)，该催化剂显著提高了对映体诱导率(反应产率36%，对映体选择性 46%e.e)。 第三轮优化是在TPe2.0的基础上，通过进一步优化之前发现的最突出的残基，插入M8、V15、N19 106和D100，最终得到TPe_F93BpA_W96L_M8L (TPe3.0)，可以实现光环化反应的产率为58%， 对映体选择性为71% e.e。TPe3.0在有氧条件或严格的脱氧条件下同样工作良好，这表明光酶可以有效阻隔分子氧（三线态淬灭剂）对反应的影响。当TPe3.0的负载量从2.5 mol%增加到5.0 mol%时，产物的产率为85%，对映体选择性为90%e.e。
光酶的对映体选择性
通过计算可以得到光酶腔体中存在二苯甲酮-吲哚-吲哚-二苯甲酮的π-π堆叠相互作用(5.2 Å和5.5 Å)，保证了从三联体态二苯甲酮到吲哚的高效能量转移。而立体化学选择性可能来自于二聚体结构中对称的吲哚基的对映异构面阻隔，V15、A92和L96与吲哚的弱π -烷基相互作用，以及烯烃部分与M89和二苯酮的弱配位，这些因素都有助于固定底物构象，使得催化过程存在对应体选择性，这也同时解释了W96催化的对映体选择性较差的原因，即W96不利于上述堆叠模式。
小结：该工作通过控制基因编码，在蛋白质的合成过程中引入了含有光敏剂的非自然氨基酸，创造一个全新的光催化中心，实现了三线态光敏酶的合成。 并通过定向结构优化，实现吲哚衍生物分子内[2+2]光环加成反应的高对映选择性，在有氧气的条件下下，这一类光酶可以实现15种吲哚衍生物的环加成放映，收率为80-97%，并且对映体选择性都大于90% e.e。
作者简介
吴钰周，华中科技大学化学与化工学院教授，博士生导师。先后于浙江大学、新加坡国立大学、和德国乌尔姆大学获得学士、硕士和博士学位。2013年5月-2016年9月先后担任德国乌尔姆大学和马普高分子研究所课题组长，2016年9月起任华中科技大学化学与化工学院教授，兼任马普高分子研究所课题组长，2019年任国家重点研发计划青年项目首席科学家。2019年吴钰周教授课题组被遴选为德国马普学会国际伙伴研究小组。
吴钰周教授主要从事功能生物大分子材料领域的研究，主要方向包括蛋白质及核酸衍生的智能生物纳米材料、纳米医药及靶向药物载体、DNA折纸材料与纳米医学和人工酶合成生物学。研究成果已在国际权威期刊发表论文60余篇，第一及通讯作者在包括J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed., Acc. Chem. Res., Adv. Func. Mater.，ACS Nano, Nano Lett.等期刊发表论文30余篇，多篇文章被选做期刊封面，并被Nature等期刊大篇幅引用评述。
钟芳锐，华中科技大学化学与化工学院教授，博士生导师。2008年本科毕业于浙江大学化学系，2012年获得新加坡国立大学博士学位，师从知名有机化学家卢一新教授，2013年至2015年先后在德国慕尼黑工业大学和乌尔姆大学从事博士后研究，德国洪堡学者（合作导师为德国科学院院士Thorsten Bach教授），2015年12月起任华中科技大学教授。
钟芳锐教授主要从事绿色有机合成化学领域的研究，主要方向包括绿色仿生催化、不对称催化合成和生物兼容性反应的开发等。研究成果已在包括J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed., ACS Catal.等期刊发表论文40余篇，中国发明专利授权6项。获得新加坡化学会金质奖章、Thieme Chemistry Journal Award、德国洪堡奖学金、国家优秀留学生奖等荣誉。
来源：高分子科学前沿
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